水轮机空蚀
水轮机课件——水轮机的空化与空蚀
➢水轮机的泥沙磨蚀
当水流中泥沙含量较大时,会对水轮机产生磨 损.同时,大量泥沙携带大量的“空化核”,使空化 容易发生.空化侵蚀与泥沙磨损同时发生时,两者 的破坏作用,称为磨蚀,对水轮机过流部件的破坏 作用很强.是单独空化和单独磨损的许多倍.
泥沙磨损的特征:鱼鳞坑或沟槽,带金属光泽
2）空化经历初生—发育—溃灭过程，空泡溃灭时产生微射流与冲击波，对 过流表面形成破坏。空化的破坏机制有：机械破坏作用、电化学侵蚀、 化学侵蚀与各因素的联合作用。
3）水轮机的空化类型有翼型空化、间隙空化、局部空化与空腔空化。各有 不同的发生部位。
4）水流中泥沙含量大时，水流容易空化，同时发生泥沙磨损，二者联合作 用时对水轮机的破坏作用大幅度增强。
典型磨损（带金属光泽）
空化与磨损联合作用:金属变色,叶片如锯齿
严重磨蚀叶片,千窗百孔,面目全非
➢水轮机磨蚀蚀的防护
采用金属、非金属抗磨材料进行过流部件的 表面防护，可以减轻水轮机的空化破坏与泥 沙磨损。常用的材料有环氧金刚砂涂层、碳 化钨喷涂、聚氨脂涂层、不锈钢堆焊层。
用环氧金刚砂作表面保护
➢空蚀的破坏机制
一、空泡的溃灭与冲击压的形成 1高速射流与微水击
空泡在百分之一至千分之一秒时间内溃灭，形成高速 射流与微水击，射流速度100m/s以上，冲击压数千 ata.
２空泡回弹产生冲击波 初生发育最大溃灭反弹溃灭数次反复
➢空蚀的破坏机制
机械破坏作用：强大的冲击压直接作用于过流表面，形成
机械破坏，并长期反复作用形成疲劳破坏．
➢空化核学说
液体中含有以不同形式存在的微小气泡,这些微小气泡在低压 环境中会发育为较大的空泡或空穴,导致空化的发生,称之为空化 核.
水轮机空蚀
损联合作用）
学术方面存在的争议
❖ 空蚀占主导地位 ❖ 磨损占主导地位 ❖ 联合作用
空蚀破坏的后果
❖ 产生振动和噪音 ❖ 影响水轮机的效率和出力 ❖ 影响水轮机的寿命
水轮机空蚀的防护
❖ 在水轮机的设计制造方面（好的翼形、材料、 加工精度等）
❖ 在工程措施方面（降低安装高程、拦沙排沙 等）
❖ 在运行管理方面（合适的运行区域、补气、 及时检修、表面涂层保护等）
❖ 与水的温度和压力有关
水在各种温度下的空化压力
温度t(oC) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
空化压力PB/γ 0.06 0.09 0.12 0.24 0.43 0.75 1.26 2.03 3.17 4.83 7.15 10.33 （mH2O）
注：γ为水的容重 ,其值为9.81N/m3。
水轮机空蚀
主讲：马跃先 教授 郑州大学水利与环境学院
❖ 空蚀现象的发现过程 ❖ 水流的空化机理 ❖ 水轮机的空蚀 ❖ 水轮机的空蚀类型 ❖ 空蚀破坏的作用形式 ❖ 学术方面存在的争议 ❖ 空蚀破坏的后果 ❖ 水轮机空蚀的防护
空蚀现象的发现过程
水流的空化机理
❖ 在水中存在空气、蒸汽、微颗粒等异相介 质，也就是所谓的空化核
水轮机的空蚀
❖ 低压区----形成空泡-----扩展膨胀 ❖ 高压区----空泡溃破-----对过流表面作用（高频、高压、高温）
❖ 水轮机空蚀的定义：在水轮机流道内，水流在低压区空化形成空泡及空 泡在高压区溃破而对过流表面所产生的一系列作用。
水轮机的空蚀类型
翼形空蚀
第三章 水轮机的空化与空蚀(10)讲解
2g
2
p2 r
w22 2g
u22 2g
hk2
----（1）
Z2
p2 r
v22 2g
Za
pa r
va2 2g
h2a
--、2点很靠近，即
uK u2 , hK2 0 , 且令 Z2 Za Hs
由于
h2a
分析和推导空化系数是以翼型空化为基础， 计算出转轮叶片上最低点的压力值，若不发生 空化，则必须使最低点的压力值大于或等于该 水温下的汽化压力。
如图所示，设k点为转轮叶片背面靠近出水边的 压力最低点，求k点的压力值。
对k-2点，2-a点分别列能量平衡方程式
Zk
pk r
wk2 2g
u
z k
h 但是，用 表示水轮机空化性能还不太 v
合理，因速度与水头成正比，同一水轮机当工
h 作水头不相同时， 也不相同，这不便于用 v 同一标准进行空化性能的比较，为此，采用单
位水头下的动态真空值表示，即，动态真空相
对值
hv H
wk2 w22 2gH
w
v22 2gH
hv H
wk2 w22 2gH
即
pk r
pv r
pa r
pv r
Hs
H
则压力余量的相对值为：
pk
pv
pa r
pv r
Hs
rH
H
令
pa r
pv r H
Hs
p
称电站的空化系数
水力机械空化空蚀问题的研究进展
水力机械空化空蚀问题的研究进展摘要：根据水力学能量方程可知，水轮机的空蚀是由于流经水轮机的水流，因某些因素的影响，导致水流在某些部位的流速突然增快，而引起该部位的压力出现局部降低的现象。
当水流流速增长较快，快到足以使该处的压力降低到该水温下的汽化压力时，在此低压区域的水便开始发生汽化，空蚀也就随之而产生。
关键词：水轮机空蚀；危害；原因；措施前言：水轮机空蚀的危害在水轮机运行过程中，对其运行极为不利的影响因素是空化和空蚀的存在，其影响主要表现在以下几方面：（1）会对水轮机的导叶、转轮室、转轮、上下止漏环及尾水管等过流部件产生破坏力。
（2）由于水流的能量转换规律和正常运行规律受到空化和空蚀的破坏作用，使得水流的漏损和水力损失显著增加，最终导致水轮机的出力和效率降低。
（3）使机组检修的复杂性和难度增大了，检修周期随之缩短。
由于空化和空蚀的存在，不仅会对金属部件产生疲劳破坏，还会引发水力振动、压力脉动和空蚀噪音等。
导致机组在检修时，不可避免的要耗用大量的钢材和辅材，还使得检修的工期也相应延长了，极大的影响了机组运行的效率和经济性。
（4）当空化和空蚀较严重时，可使得机组的噪音、负荷波动及振动的程度均加剧，甚至会导致机组无法稳定、安全地运行。
可见，空蚀对机组带来的破坏力是多方面的，同时它又是水轮机运行过程中不可避免的一种现象。
对于任何选取优良抗空蚀材料而制成，且设计优良的水轮机，在实际运行中，由于运行环境的改变仍不可避免地会发生空蚀现象。
空蚀问题讫今为止仍然是一个世界性的难题，这就提醒我们在机组运行的过程中，对这个问题要引起足够的重视。
并应设法采取积极有效的措施去削弱或消除空蚀的影响，以提高水轮机过流部件抗空蚀破坏的能力，这不仅可延长检修的周期，还有助于机组使用寿命的延长。
对提高机组的安全、稳定运行具有极重要的现实意义。
1 水轮机空蚀的成因1.1 空化现象当通过水轮机的水流在某些区域的流速突然增快，必然会导致相应区域的水流压力出现局部的降低。
水轮机的空化与空蚀
水轮机的空化与空蚀作者：李欣来源：《科技创新与应用》2016年第14期摘要：空化与空蚀现象在水轮机中非常常见，会造成水轮机的叶片磨蚀损坏，导致水轮机的性能与经济效益下降，改善空化与空蚀现象需要制造工艺水平的提升与设计的改善，超空化水轮机的空化、空蚀大大降低，但是它的实用化仍旧有很长的路要走。
关键词：空化；空蚀；原理；种类；危害；降低空蚀的措施；超空化水轮机中存在的空化、空蚀现象会对水轮机的性能产生不利的影响，因此在设计运行时要尽可能地避免，并将空化、空蚀对水轮机的性能的不利影响降到最低。
空化现象指的是水轮机流道中局部压力降至临界压力时，水中气核慢慢成长为气泡，气泡将液体中的蒸气和溶液中析出的气体包裹起来。
当进入压力较低的区域时，气泡则会逐渐长大，当气泡随水流运动到压力较高的区域时，在高压的作用下会迅速凝缩溃灭。
因此，空化是指气泡从集聚、流动、分裂到溃灭的这一过程。
空化现象不仅发生在液体内部，也会出现在固体边界上。
空蚀指的是由于空泡的溃灭所引发的过流表面金属材料的损坏。
空泡在溃灭的过程中伴随着机械、电化、热力、化学等过程的作用。
空化、空蚀会导致水轮机的性能下降，水轮机的过流部件表面会遭到损坏，甚至会使金属材料的局部发生脱落。
发生空蚀的主要原因是空泡溃灭所产生的机械作用，包括冲击波模式和射流模式两种。
通过对空蚀现象的观察，我们会发现空蚀在边界上分布并不均匀，而是集中在某些位置。
当第一个蚀坑形成后，在一定的条件下，它的发展速度要比其它的地方快，蚀坑越来越大、越来越深，最后将导致材料破碎而被水冲走。
除此之外，也可以用热力学和电化作用来解释空蚀现象。
空蚀产生的原因十分复杂，它在多重作用下发生，并且与化学腐蚀、泥沙磨损等相互促进，使得材料被进一步破坏。
水轮机按空化与空蚀发生的部位不同可以分为翼型空蚀、间隙空蚀、局部空蚀和空腔空蚀。
翼型空蚀是反击式水轮机的主要空蚀类型，在叶片的不同部位都有可能会出现空蚀区，转轮型号及运行工况都会影响到空蚀区的发展。
水轮机空蚀与磨损作业指导书
水轮机空蚀与磨损作业指导书一、概述水轮机是一种将水能转化为机械能的装置，常用于发电厂和水利工程。
然而，由于长期运行和使用不当等原因，水轮机可能会出现空蚀和磨损问题。
本作业指导书旨在帮助操作人员了解水轮机空蚀和磨损的原因以及如何进行预防和修复。
二、空蚀问题1. 空蚀现象空蚀指在水轮机叶片表面形成气泡或水蒸汽，并带有高速冲击力的问题。
空蚀的存在会导致叶片表面损坏，降低水轮机的效率。
2. 空蚀原因（1）水质问题：水中含有气体或溶解的气体浓度过高时，易产生空蚀。
（2）进口水速度过高：当进口水速度过高时，会产生负压，导致空蚀。
（3）叶片表面粗糙度：叶片表面粗糙度过大，容易形成气泡，造成空蚀。
3. 空蚀预防措施（1）改善水质：定期对进水管道进行清洗和维护，确保水质符合要求。
（2）控制进口水速度：根据水轮机的设计要求，合理控制进口水速度，避免产生负压。
（3）提高叶片表面光洁度：定期对叶片进行清洗和磨光，降低表面粗糙度。
三、磨损问题1. 磨损现象磨损是指水轮机叶片表面与水流或颗粒物接触时，由于摩擦而导致叶片表面的磨损。
长期磨损会导致叶片减薄、变形和失效。
2. 磨损原因（1）颗粒物侵蚀：水中悬浮的颗粒物会对叶片表面产生冲击和磨损。
（2）水流速度过高：水流速度过高会增加叶片表面与水流之间的摩擦力，导致磨损。
（3）叶片材料不合适：选择合适的叶片材料可以降低磨损程度。
3. 磨损预防措施（1）过滤水质：安装合适的过滤器，过滤掉水中的颗粒物，减少对叶片的冲击。
（2）控制水流速度：根据水轮机的设计要求，合理控制水流速度，避免过高速度引起的磨损。
（3）选择合适的叶片材料：根据水轮机的使用环境和水质情况，选择适合的叶片材料，提高其耐磨性能。
四、维护和修复1. 定期检查：定期对水轮机进行检查，发现空蚀和磨损问题及时处理。
2. 清洗叶片：定期清洗叶片表面，去除附着的沉积物和颗粒，减少磨损和空蚀的发生。
3. 磨光叶片：定期对叶片进行磨光处理，提高叶片表面的光洁度，减少磨损和空蚀的发生。
水轮机的空化与空蚀
水轮机的空化与空蚀空化与空蚀现象在水轮机中非常常见，会造成水轮机的叶片磨蚀损坏，导致水轮机的性能与经济效益下降，改善空化与空蚀现象需要制造工艺水平的提升与设计的改善，超空化水轮机的空化、空蚀大大降低，但是它的实用化仍旧有很长的路要走。
标签：空化；空蚀；原理；种类；危害；降低空蚀的措施；超空化水轮机中存在的空化、空蚀现象会对水轮机的性能产生不利的影响，因此在设计运行时要尽可能地避免，并将空化、空蚀对水轮机的性能的不利影响降到最低。
空化现象指的是水轮机流道中局部压力降至临界压力时，水中气核慢慢成长为气泡，气泡将液体中的蒸气和溶液中析出的气体包裹起来。
当进入压力较低的区域时，气泡则会逐渐长大，当气泡随水流运动到压力较高的区域时，在高压的作用下会迅速凝缩溃灭。
因此，空化是指气泡从集聚、流动、分裂到溃灭的这一过程。
空化现象不仅发生在液体内部，也会出现在固体边界上。
空蚀指的是由于空泡的溃灭所引发的过流表面金属材料的损坏。
空泡在溃灭的过程中伴随着机械、电化、热力、化学等过程的作用。
空化、空蚀会导致水轮机的性能下降，水轮机的过流部件表面会遭到损坏，甚至会使金属材料的局部发生脱落。
发生空蚀的主要原因是空泡溃灭所产生的机械作用，包括冲击波模式和射流模式两种。
通过对空蚀现象的观察，我们会发现空蚀在边界上分布并不均匀，而是集中在某些位置。
当第一个蚀坑形成后，在一定的条件下，它的发展速度要比其它的地方快，蚀坑越来越大、越来越深，最后将导致材料破碎而被水冲走。
除此之外，也可以用热力学和电化作用来解释空蚀现象。
空蚀产生的原因十分复杂，它在多重作用下发生，并且与化学腐蚀、泥沙磨损等相互促进，使得材料被进一步破坏。
水轮机按空化与空蚀发生的部位不同可以分为翼型空蚀、间隙空蚀、局部空蚀和空腔空蚀。
翼型空蚀是反击式水轮机的主要空蚀类型，在叶片的不同部位都有可能会出现空蚀区，转轮型号及运行工况都会影响到空蚀区的发展。
间隙空蚀指的是当水流通过狭小通道或间隙时局部流速会升高，导致压力下降而产生空蚀，间隙空蚀在转浆式水轮机中最为突出，发生区域多在转轮叶片外缘与转轮室之间以及叶片根部与转轮体之间的间隙附近。
第四章水轮机的空化与空蚀(new)
第四章水轮机的空化与空蚀本章教学要求：1．了解空化、空蚀现象；2．掌握水轮机空化与空蚀的类型；3．掌握水轮机空化系数的意义和吸出高度的确定原则；4．掌握水轮机抗空化的措施。
第一节水流的空化一、水流的空化现象水轮机的空化现象是水流在能量转换过程中产生的一种特殊现象。
大约在本世纪初，发现轮船的高速金属螺旋桨在很短时间内就被破坏，后来在水轮机中也发生了转轮叶片遭受破坏的情况，空化现象就开始被人们发现和重视。
水轮机的工作介质是液体。
液体的质点并不象固体那样围绕固定位置振动，而是质点的位置迁移较容易发生。
在常温下，液体就显示了这种特性。
液体质点从液体中离析的情况取决于该种液体的汽化特性。
例如，水在一个标准大气力作用下，温度达到100℃时，发生沸腾汽化，而当周围环境压力降低到0.24mH2O时，空化现象即可发生。
图4-1表示了水的汽化压力与温度关系曲线。
图4-1 水温与饱和气泡压力关系曲线由于液体具有汽化特性，则当液体在恒压下加热，或在恒温下用静力或动力方法降低其周围环境压力，都能使液体达到汽化状态。
但在研究空化和空蚀时，对于由这两个不同条件形成的液体汽化现象在概念上是不同的。
任何一种液体在衡定压力下加热，当液体温度高于某一温度时，液体开始汽化，形成汽泡，这称为沸腾。
当液体温度一定时，降低压力到某一临界压力时，液体也会汽化或溶解于液体中的空气发育形成空穴，这种现象称为空化。
我们以前通常所讲的气蚀现象，实际上包括了空化和空蚀两个过程。
空化乃是在液体中形成空穴使液相流体的连续性遭到破坏，它发生在压力下降到某一临界值的流动区域中。
在空穴中主要充满着液体的蒸汽以及从溶液中析出的气体。
当这些空穴进入压力较低的区域时，就开始发育成长为较大的气泡，然后，气泡被流体带到压力高于临界值的区域，气泡就将溃灭，这个过程称为空化。
空化过程可以发生在液体内部，也可以发生固定边界上。
空蚀是指由于空泡的溃灭，引起过流表面的材料损坏。
在空泡溃灭过程中伴随着机械、电化、热力、化学等过程的作用。
浅谈水轮机的空化和空蚀
技术报告——浅谈水轮机的空化和空蚀水轮机在运行中存在四大问题：动能指标（流量、出力、转速）、效率、空化性能、稳定性。
在上述问题中，空化、空蚀被喻为水轮机的“癌症”。
所以在水电厂水轮机运行生产过程中空化、空蚀是一个必须注意和避免的问题，我们必须了解其物理性质，然后找到避免和处理的方法。
空化是一种液体现象，固体或气体都不会发生空化。
当液体温度一定时，降低压力到某一临界压力时，液体也会汽化或溶解于液体中的空气发育成空穴，这种现象称为空化。
沸腾也是一种汽化，但沸腾是液体在衡定压力下加热，液体温度高于某一温度时发生的汽化，与空化不同之处就在于沸腾主要是热能交换的过程，而空化可近似看作是一个冷过程。
空化包括了空穴的出生、发育和溃灭。
当液体的压力降到某一临界值时，液体中便会产生空穴，这些空穴进入压力较低区域时，就开始发育成较大的气泡，气泡被流体带到高于压力临界值的区域时就会溃灭。
在空化区，空泡的不断产生又不断溃灭过程中，将产生高频高压的微观水击，由于高频高压的水击直接作用于过流表面，形成机械破坏，长期反复作用形成疲劳破坏。
同时空泡在溃灭时产生高温（可达到300—500摄氏度），与周围介质形成温差，产生温差电势，造成电化学腐蚀，而高温作用下产生氧，并增加其他有害气体的活性，产生腐蚀。
由于以上几种因素的联合作用，加快了过流表面的腐蚀破坏，这就是空蚀。
空蚀是空化的直接结果，空蚀只发生在固体表面。
由以上分析我们知道空化、空蚀的根本原因是水轮机自身产生的低压造成的。
而液体在混流式机组过流管道中低压的形成主要有：1)、翼型绕流：当水流绕流水轮机翼型叶片时，叶片背面的压力往往为负压，当叶片背面压力降低到环境汽化压力以下时，将会出现空化区空蚀水轮机叶片，对水轮机叶片造成破坏，即翼型空蚀。
2）、狭小空隙：当水流流过混流式机组导叶上下断面、立面密封、迷宫环等狭小通道或间隙时，将会导致局部流速升高，压力降低，当压力降低到环境汽化压力以下时，同样会产生空化区，空蚀导叶、叶片等，即间隙空蚀。
水轮机的空化与空蚀
形成一种对称真空涡带，引起尾水管中水流速度和压力的 脉动，在尾水管进口处产生空蚀破坏，还可能造成尾水管 振动。
❖ 局部空蚀：在过流部件凹凸不平因脱流而产生的空蚀。
翼形空蚀 空腔空蚀
间隙空蚀 局部空蚀
尾水管内的1.4真.2 V空ort涡ex O带bserved in Francis Runner
任一水轮机在既定工况下，б也是定值。 ❖ б值影响因素复杂，理论难以确定，广泛使用的
方法是进行水轮机模型试验得出бm,并认为б=бm。
二、水轮机的吸出高度
为了防止空蚀，必须限制k点的压力，使pk≥pv
pk
pa
Hs
(Wk2 W22 2g
w
V22 2g
)paHs来自H保证水轮机内不发生汽蚀的条件： pk≥ pv
三、水轮机的安装高程
1. 立轴HL：导叶中心平面高程
Za=▽w+Hs+b0/2 2. 立轴ZL：导叶中心平面高程
Za=▽w+Hs+xD1 (x=0.38~0.48) 3. 卧轴HL和GL：轴中心高程
Za=▽w+Hs-D1/2 注： ▽w ：水电站设计尾水位, 选用水电站最低尾水
位（1~2台机组时取一台机组50%额定流量， 3~4台机组时取一台机组额定流量）
1．
复习题：
1 什么是空化与空蚀？ 2． 2 空蚀的机理是什么？ 3． 3 水轮机中常发生哪些空化？ 4． 4 什么是水轮机的空化系数？水轮机空化系数有哪些特性？ 5． 5 什么是电站的空化系数？电站的空化系数与水轮机空化系数有什么关系？为什么 ？ 6． 6 通过什么方法如何确定水轮机的空化系数？ 7． 7 如何确定水轮机的安装高程？ 8． 8 从大的方面讲，防止水轮机空蚀常采用哪些措施？ 9． 9 采用哪些措施防止尾水管中的空腔空化和水力振动？
我国水轮机空蚀与空化研究现状
我国水轮机空蚀与空化研究现状水力机械中的空化空蚀一直是困扰流体机械发展的首要问题之一。
在水利水电工程中,空化空蚀一直作为一个重要的问题被进行研究。
这些问题主要包括空泡溃灭的形式、空蚀的性质,空化与空蚀的相关性、空化与其噪声的相关性、空化噪声与水力参数的关系、临界空化的噪声判断、空化改善状况的噪声判别,空化比尺效应的种种影响,如雷诺数Re、脉动压力p’、水中含气量和气核尺寸、水体的抗拉强度和表面粗糙度，空化声学量测的一些条件,空蚀评价的指标等等。
我国通过对空化产生的这些机理进行了广泛深入的研究，清楚地了解了空化发生的条件及产生的结果。
并对如何在工程实际中监测空化现象的发生及判断其严重程度，至今仍在不断地探索中。
在这漫长的过程中，我国最近所取得的成就很多，也很广。
不但在空蚀与空化的产生条件、水轮机转轮空蚀量预估上做出研究，并取得了很好的成果，还在解决空蚀空化上也做出大量的努力，花巨资去研究如何可以监测与分析。
比如，水口水轮机空化空蚀、水力稳定性及主要部件应力状态研究，工质为浑水时水泵与水轮机的空化与空蚀研究，水轮机空化空蚀破坏的在线监测方法及诊断装置，根据空化引起的水轮机振动来预测空蚀破坏软件，基于LabVIEW的便携式水轮机空蚀监测，动态离子束混合对水轮机材料空蚀改性的研究，大型水轮机空化在线监测与分析——方法及应用研究，水轮机空化空蚀分析软件设计等等。
———————————————————————————————————————————————空化在微观方面的理论大多立足于空泡动力学对空泡的发展变化进行分析。
Arrojo研究了水力空化中单个空泡产生、发展和溃灭的全过程。
分析结果发现，在空泡运动过程中，化学稀疏和压力恢复过程的时间尺度起着关键作用，特别是发展阶段，较大的化学稀疏时间促进了空泡的发展。
何国庚从空泡动力学出发，借助非平衡态动力学理论，建立了有相变化时球形气核与围流液体之间能量流和物质流的方程式，并结合自由气核发育的动力学方程和自由气核的热力学方程，提出了判断满足空化初生条件的标准。
水轮机的空化和空蚀
水轮机空化系数与电站空化系数
由水轮机空化系数σ的表达式可知：
WK2 W22 2gH
w
V22 2gH
⑴σ是动力真空值的相对值，是一个无因次量。
⑵σ值与转轮翼型和水轮机的工况有关，因这两者均影响到相对速度WK、 W2和叶道中的压力分布，也影响到转轮的出口动能。K点的相对速度越大， 一般其转轮出口动能V2也相应大一些，空化系数σ也会增大。
止发生严重的翼型空化。显然，吸出高度越小，则水轮机装得越低，水 轮机抗空化性能愈好，但水电站的基建投资则愈大，因此，选择合理的 吸出高度是水轮机装置参数优化设计和电站总体设计的技术经济的重要 问题之一。
原型水轮机的吸出高度
为了完全避免在转轮叶片上的空化，必须使K点的压力大于水流的饱
和汽化压力，即
pK pmin pv
中心线（卧式机组）的海拔高程。
水轮机安装高程用符号 表示。不同装置方式的水轮机安装高程的计算方
法如下：
⑴立轴混流式水轮机
式中
w
Hs
b0 2
—w—尾水位，m；
b0——导叶高度，m。
水轮机安装高程的确定
⑵立轴轴流式水轮机
w Hs XD1 式中 D1—转轮直径，m；
X—轴流式水轮机结构高度系数，取0.41。
0.4mH2O左右； ⑷水轮机的实际装置高程不为零，根据实测，低空大气层的平均大气压
当高程每升高900 m时降低1mmH2O。
综合了这些变化因素后，可以近似写成
Hs
ห้องสมุดไป่ตู้
10
900
H
式中 ——水电站下游水面相对于海平面的标高。
水轮机抗空化和空蚀措施
水轮机抗空化和空蚀措施摘要：水轮机空化和空蚀现象是不可避免的，但如果能够综合设计、制造、选型、运行以及检修各方面的考虑，深入分析与总结其防范措施，是可以在一定程度将其降低的。
故笔者结合多年现在经验，对这一部分内容进行了总结，以供参考。
关键词：水轮机空化空蚀Abstract: Turbine cavitation and cavitation phenomenon is inevitable, but if can integrate design, manufacture, selection, operation and maintenance of various aspects to consider, the thorough analysis and to sum up the preventive measures, is in a certain degree can reduce the. So the author combined with years experience now, for that part of the content is summarized, and for reference.Key Words: turbine cavitation erosion前言：一般来说，水轮机内完全避免发生空化和空蚀现象是不可能的，这是因为合理地确定水轮机的吸出高度，只解决了翼型空蚀问题，并没有解决空腔空蚀和间隙空蚀的问题。
另外，按照完全避免发生空蚀的条件来决定吸出高度也不合适，如果真这样做，将导致电站开挖量的急剧增加，使得经济上很不合理。
最后就空蚀系数本身来说，因为影响它的因素较为复杂，直接用理论计算或直接在叶片上测量均由困难。
目前是根据效率突然降低的模型试验方法来决定空蚀系数的。
实际上，空化和空蚀现象在效率突然下降前早已发生，效率突然下降，说明空化和空蚀已发展到了相当严重的程度。
第四章 水轮机的空化与空蚀
2.化学作用
发生空化和空蚀时，气泡使金属材料表面局部出现 高温是发生化学作用的主要原因。该高温可能是气泡 在高压区被压缩时放出的热量，或者是由于高速射流 撞击过流部件表面而释放出的热量。局部瞬时高温可 过300℃，高温、高压作用下，促进汽泡对金属材料表 面的氧化腐蚀作用。
3.电化作用
在发生空化和空蚀时，局部受热材料与四周低温材 料间产生局部温差，形成热电偶，材料中有电流流过， 引起热电效应，产生电化腐蚀，破坏金属材料的表面 层，使它发暗变毛糙，加快了机械侵蚀作用。
由于液体具有汽化特性：
液体汽化：1、恒压加热；2、恒温降压
沸腾：液体在衡定压力下加热，当温度高于某一温
度时，液体开始汽化形成汽泡。
空化：当液体温度一定，降低压力到某一临界压力
时，液体也会汽化或溶解于液体中的空气发育形成
空穴。
气蚀现象：包括空化和空蚀两个过程。 空化：液体中形成空穴使液相流体的连续性遭到破 坏，发生在压力下降到某一临界值的流动区域，空穴 中主要充满着液体的蒸汽以及从溶液中析出的气体。 可以发生在液体内部，也可以发生在固定边界上。
水的温度（℃） 汽化压力 （mH2O） 0 0.06 5 0.09 10 0.12 20 0.24 30 0.43 40 0.72 50 1.26 60 2.03 70 3.18 80 4.83 90 7.15 100 10.33
空蚀对金属材料表面的侵蚀破坏有机械作用、化 学作用和电化作用三种，以机械作用为主。
第四章 水轮机的空化与空蚀
第一节 水流的空化
一、水流的空化现象
认识到空化空蚀的破坏：发现轮船高速金属螺旋桨在 很短时间内就被破坏。 固体围绕固定位置振动 的汽化特性。 标准大气压力下 ，水温达 到 100℃时，发生沸腾汽化； 当周围环境压力降低到 0.24mH2O时，发生空化现象。 液体质点位置易迁移 常温下液体质点会从液体中离析，取决于该种液体
水轮机的空化空蚀、泥沙磨损
水轮机的空化空蚀、泥沙磨损水轮机的空化空蚀、泥沙磨损第一节空化与空蚀空化与空蚀是发生于液体作为介质的水力机械中的一种特有现象，而在固体和空气中一般不会发生空化和空蚀。
（气蚀一词，来源于拉丁文，形成空穴之意，目前国内的译法很不统一，有气蚀、汽蚀、空蚀、空穴、空泡等各种译法）一、空化现象这是一种流体力学现象。
把给定温度下，液体开始汽化的压力叫做临界压力。
（在不同温度下，液体的临界压力是不同的）。
注意：当液体温度一定，而压力降低到相应的临界压力时，也会出现汽化现象，同时溶解于液体中的气体析出，形成空泡（空穴）。
通过水力机械流道中的液流，如果某个地方的流速增高，必然会引起此处的局部压力下降，当压力降低到当时液流下的临界压力时，这个低压区的液流就会开始汽化——出现空泡（汽泡），空泡随液流运动到较高压力区，由于P↑，汽泡中的蒸气要重新凝结成水，汽泡溃灭。
因为体积突然收缩，汽泡原先占有的空间形成真空，于是周围的高压液流质点高速冲近来，将对过流表面产生非常大的瞬间脉冲压力（水锤压力）。
同时，在压力增高时，原来从液流中分解出来的小汽泡，在水锤压力的作用下被急剧压缩，直到汽泡的弹性力大雨水锤压力时，汽泡将停止压缩而瞬间膨胀，所以对过流表面又形成另一种水锤压力。
空化：随着压力变化，液流中出现空泡状态（初生、发展、溃灭）及产生一系列物理化学变化称作空化（空穴）。
空蚀：指当空泡的溃灭过程发生于固壁表面，而使材料破坏，即由空化引起的材料破坏（侵蚀）。
二、空蚀机理空蚀对过流部件造成的破坏，主要有四种理论：机械作用、电化作用、化学作用和微射流理论。
1、机械作用在过流表面的某处，随着液流不断流过，空泡不断形成—溃灭—压缩和膨胀，将产生很高的冲击压力。
通过高速摄影的圆盘实验观察到，汽泡凝结时间约万分之一秒，水锤压力可以达到几百个甚至几千个大气压，对边壁材料造成破坏。
（1）空泡在溃灭过程中产生冲击波，从空泡的中心向外放射时具有和大的冲击力，对材料产生破坏。
5水轮机空化与空蚀
ZK
+
PK g
+
W
2 K
2g
-
u
2 k
2g
= Z2
+
P2
g
+
W
2 2
2g
-
u
2 2
2g
+ hk 2
PK g
=
P2 g
+ W22 WK2 2g
+ (Z2
Z K ) + hk2
Z2
+
P2 g
+
V
2 2
2g
=
Pa g
+
V
2 a
2g
+ h2
P2 g
+Z2 =
Pa g
+ Z a + h2
V
2 2
2g
Pk g
空化与空蚀机理
空蚀 指空泡坍缩形成微激波与微射流，攻击壁面形成 损伤的过程。 空蚀过程在水轮机领域称为气蚀、在螺旋桨领域 称为剥蚀、在汽轮机领域称为水蚀，所描述的都 是相同的物理和力学过程。
空化与空蚀机理
空蚀机理 机械作用
压力波模式 微射流模式 化学作用 电化作用
空化与空蚀机理
空化空蚀对水轮机运行的影响 ① 破坏水轮机的过流部件 ② 降低水轮机的出力和效率 ③ 引起振动、噪音及负荷波动 ④ 缩短了机组的检修周期，增加了机组检修的复
片旋转中心线的距离
构的下环平面的距离
水轮机的空化系数与吸出高度
斜流式水轮机的Hs是下游水面至转轮叶 片旋转轴线与转轮室内表面交点的距离
卧式反击式水轮机的Hs是下游水面至转轮 叶片最高点的距离
水轮机的空化系数与吸出高度
ZZF01-LH-800水轮机空蚀破坏及处理方法简述
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水电站水轮机检修工艺规程
水电站水轮机检修工艺规程1.1水轮机空蚀111空蚀的检查及测量水轮机空蚀检查每年检查一次，主要部位为浆叶、轮毂、转轮室、流道。
测量前应将所有部位清扫干净，用测深尺测量汽蚀深度，或用细针插进汽蚀部位粗测其深度，但测量误差不得超过±10%或者1mm。
1. 1 .2气蚀及磨损焊补用电焊对已经气蚀或者磨损的区域进行焊补，其工艺过程如下：1) 清除己严重损坏的部分对气蚀较重的区域，要用铲、磨等方法清除已经损坏而疏松的金属，露出基本材料来。
对已经穿孔或脱落的地方，需将孔洞修整成一定形状，再切割相应的不锈钢板准备拼焊。
2) 对转轮预热堆焊面积较大和需要拼焊不锈钢板的转轮都需要预先加热。
在检修现场的预热常用电阻炉烘烤来实现。
3) 用与基本金属接近的焊条堆焊，底层用它们堆焊底层可使焊缝结合良好，而且不易产生裂纹。
4) 用抗气蚀的焊条堆焊表层用奥氏体焊条和堆焊焊条具有较好的抗气蚀性能，用来堆焊表层。
表层堆焊应高于原部位表面1-2mm。
5) 打磨补焊后的部位必须打磨成型，最简便而又合理的方法是先作样板，再按样板打磨。
3 .2导水机构的检修3 2 1导水机构常见故障1) 导叶关闭不严，漏水量过大。
2) 导叶开度不均匀。
3) 导叶轴松动，导叶轴四周漏水量加大。
4) 某个或某几个连杆经常损坏。
1.2 .2导叶轴套的处理机组用尼龙衬套作导叶轴套，与导叶轴颈之间保证一定的回隙量，而且四周间隙应当均匀.长期运行以后，受水和泥沙的作用，轴颈和轴套都可能磨损，而且往往是不均匀的磨损，导轩轴因而松动，既影响关闭和开度，又加太了漏水量。
1) 首先修磨轴颈。
导叶轴颈失圆应车削或打磨恢复其圆度。
2) 按间隙要求选配及刮削尼龙衬套。
更换尼龙轴套时，应根据修整后的轴颈直径选配衬套，适当刮削以后村套内孔与轴颈的间隙应符合厂家要求。
或者保证总间隙为轴颈直径0.005-0 .006倍。
1. 2. 3导叶传动机构的修理导叶传动机构往往因连接销磨损而松动。
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水在各种温度下的空化压力
温度t(oC) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
空化压力PB/γ 0.06 0.09 0.12 0.24 0.43 0.75 1.26 2.03 3.17 4.83 7.15 10.33 （mH2O）
注：γ为水的容重 ,其值为9.81N/m3。
❖ 机械破坏作用 ❖ 电化学作用（电解作用） ❖ 化学作用（O3） ❖ 联合作用（空蚀破坏和泥沙磨
损联合作用）
学术方面存在的争议
❖ 空蚀占主导地位 ❖ 磨损占主导地位 ❖ 联合作用
空蚀破坏的后果
❖ 产生振动和噪音 ❖ 影响水轮机的效率和出力 ❖ 影响水轮机的寿命
水轮机空蚀的防护
❖ 在水轮机的设计制造方面（好的翼形、材料、 加工精度等）
❖ 在工程措施方面（降低安装高程、拦沙排沙 等）
❖ 在运行管理方面（合适的运行区域、补气、 及时检修、教授 郑州大学水利与环境学院
❖ 空蚀现象的发现过程 ❖ 水流的空化机理 ❖ 水轮机的空蚀 ❖ 水轮机的空蚀类型 ❖ 空蚀破坏的作用形式 ❖ 学术方面存在的争议 ❖ 空蚀破坏的后果 ❖ 水轮机空蚀的防护
空蚀现象的发现过程
水流的空化机理
❖ 在水中存在空气、蒸汽、微颗粒等异相介 质，也就是所谓的空化核
水轮机的空蚀
❖ 低压区----形成空泡-----扩展膨胀 ❖ 高压区----空泡溃破-----对过流表面作用（高频、高压、高温）
❖ 水轮机空蚀的定义：在水轮机流道内，水流在低压区空化形成空泡及空 泡在高压区溃破而对过流表面所产生的一系列作用。
水轮机的空蚀类型
翼形空蚀
间隙空蚀
空腔空蚀
局部空蚀
空蚀破坏的作用形式